第4章 執(zhí)行器-修改課件

第4章執(zhí)行器及安全柵4.1執(zhí)行器執(zhí)行器是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要組成部分，它將控制器送來(lái)的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成執(zhí)行動(dòng)作，從而操縱進(jìn)入設(shè)備的能量，將被控變量維持在所要求的數(shù)值上或一定的范圍內(nèi)。執(zhí)行器有自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)、自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器、自動(dòng)電流調(diào)節(jié)器、控制電機(jī)等。其中自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)是最常見(jiàn)的執(zhí)行器，種類(lèi)繁多。自動(dòng)調(diào)節(jié)閥按照工作所用能源形式可分為：電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：電源配備方便，信號(hào)傳輸快、損失小，可遠(yuǎn)距離傳輸；但推力較小。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠，維護(hù)方便，防火防爆；但氣源配備不方便。液動(dòng)調(diào)節(jié)閥：用液壓傳遞動(dòng)力，推力最大；但安裝、維護(hù)麻煩，使用不多。工業(yè)中使用最多的是氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。4.1.1氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥是由氣壓信號(hào)控制的閥門(mén)。氣動(dòng)薄膜室推桿閥門(mén)閥位指示標(biāo)牌閥桿4.1.1.1氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)（閥）兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是推動(dòng)裝置，它是將信號(hào)壓力的大小轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置。控制機(jī)構(gòu)是閥門(mén)，它將閥桿的位移轉(zhuǎn)換為流通面積的大小。

1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出方式有角行程輸出和直行程輸出兩種。

直行程輸出的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有兩類(lèi)。氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)P正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）直通單座閥流體對(duì)閥芯的不平衡作用力大。一般用在小口徑、低壓差的場(chǎng)合。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、泄漏量小。2．調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)就是閥門(mén)，是一個(gè)局部阻力可以改變的節(jié)流元件，主要由閥體、閥座、閥芯、閥桿等組成。根據(jù)不同的使用要求，閥門(mén)的結(jié)構(gòu)型式很多。正裝閥閥芯下移時(shí)，閥芯與閥座間的流通截面積增大閥門(mén)中的柱式閥芯可以正裝，也可以反裝。反裝閥閥芯下移時(shí)，閥芯與閥座間的流通截面積減小（2）直通雙座閥

閥體內(nèi)有兩個(gè)閥芯和閥座。流體流過(guò)時(shí)，作用在上、下兩個(gè)閥芯上的推力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。但是，由于加工的限制，上下兩個(gè)閥芯閥座不易保證同時(shí)密閉，因此泄漏量較大。（3）角形控制閥兩個(gè)接管呈直角形，一般為底進(jìn)側(cè)出，這種閥的流路簡(jiǎn)單、對(duì)流體的阻力較小。適用于現(xiàn)場(chǎng)管道要求直角連接，介質(zhì)為高粘度、高壓差和含有少量懸浮物和固體顆粒狀的場(chǎng)合。（4）三通控制閥

有三個(gè)出入口與工藝管道連接。流通方式有合流型（兩種介質(zhì)混合成一路）和分流型（一種介質(zhì)分成兩路）兩種。適用于配比控制與旁路控制。（5）隔膜控制閥

采用耐腐蝕材料作隔膜，將閥芯與流體隔開(kāi)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、流阻小、流通能力比同口徑的其他種類(lèi)的閥要大。由于介質(zhì)用隔膜與外界隔離，故無(wú)填料，介質(zhì)也不會(huì)泄漏。耐腐蝕能力強(qiáng)，適用于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的控制，也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。適用于大口徑、大流量、低壓差的場(chǎng)合，也可以用于含少量纖維或懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。（6）蝶閥又名翻板閥。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、流阻極小，但泄漏量大。（7）球閥閥芯與閥體都呈球形體，閥芯內(nèi)開(kāi)孔。轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯使之與閥體處于不同的相對(duì)位置時(shí)，就有不同的流通面積。流量變化較快，可起控制和切斷的作用，常用于雙位式控制。（8）籠式閥閥內(nèi)有一個(gè)圓柱形套筒（籠子）。套筒壁上有一個(gè)或幾個(gè)不同形狀的孔（窗口），利用套筒導(dǎo)向，閥芯在套筒內(nèi)上下移動(dòng)，改變閥的節(jié)流孔面積。可調(diào)比大，不平衡力小，更換開(kāi)孔不同的套筒，就可得到不同的流量特性。但不適于高粘度或帶有懸浮物的介質(zhì)流量控制。（9）凸輪撓曲閥又名偏心旋轉(zhuǎn)閥。其閥芯呈扇形球面狀，與撓曲臂及軸套一起鑄成，固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上。閥芯球面與閥座密封圈緊密接觸，密封性好。適用于高粘度或帶有懸浮物的介質(zhì)流量控制。調(diào)節(jié)閥除了結(jié)構(gòu)類(lèi)型的不同外，其它的主要技術(shù)參數(shù)是流量特性和口徑。4.1.1.2調(diào)節(jié)閥的流量特性調(diào)節(jié)閥的閥芯位移與流量之間的關(guān)系，對(duì)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)有很大影響。流量特性的定義：被控介質(zhì)流過(guò)閥門(mén)的相對(duì)流量與閥門(mén)的相對(duì)開(kāi)度（相對(duì)位移）間的關(guān)系稱(chēng)為調(diào)節(jié)閥的流量特性。Q/Qmax—相對(duì)流量

l/L—相對(duì)開(kāi)度相對(duì)流量Q/Qmax

是控制閥某一開(kāi)度流量Q與全開(kāi)時(shí)流量Qmax之比；相對(duì)開(kāi)度l/L

是控制閥某一開(kāi)度行程l與全開(kāi)行程L之比。調(diào)節(jié)閥的流量特性不僅與閥門(mén)的結(jié)構(gòu)和開(kāi)度有關(guān)，還與閥前后的壓差有關(guān)，必須分開(kāi)討論。LQ為了便于分析，先將閥前后壓差固定，然后再引伸到實(shí)際工作情況，于是有固有流量特性與工作流量特性之分。1、固有（理想）流量特性在將控制閥前后壓差固定時(shí)得到的流量特性稱(chēng)為固有流量特性。它取決于閥芯的形狀。321343

142（1）直線(xiàn)特性（2）等百分比特性（3）快開(kāi)特性（4）拋物線(xiàn)特性（1）直線(xiàn)流量特性控制閥的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度成直線(xiàn)關(guān)系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù)。用數(shù)學(xué)式表示為：3

1

42(l/L)/%

R—調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比系數(shù)。可調(diào)比R為調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量與最小流量的比值。

其中Qmin不是指閥門(mén)全關(guān)時(shí)的泄漏量，而是閥門(mén)能平穩(wěn)控制的最小流量，約為最大流量的2~4%，一般閥門(mén)的可調(diào)比R=30。R=Qmax/Qmin31

42控制力：閥門(mén)開(kāi)度改變時(shí)，相對(duì)流量的改變比值。

例如在不同的開(kāi)度上，再分別增加10%開(kāi)度，相對(duì)流量的變化比值為10％時(shí)：[（20-10）/10]×100%=100%50％時(shí)：[（60-50）/50]×100%=20%80％時(shí)：[（90-80）/80]×100%=12.5%Q/Q100L/Lmaxs=1

直線(xiàn)閥的流量放大系數(shù)在任何一點(diǎn)上都是相同的，但其對(duì)流量的控制力卻是不同的。（2）等百分比（對(duì)數(shù)）流量特性單位相對(duì)行程變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量成正比關(guān)系：3

1

42曲線(xiàn)斜率（放大系數(shù)）隨行程的增大而增大。流量小時(shí)，流量變化小；流量大時(shí)，流量變化大。等百分比閥在各流量點(diǎn)的放大系數(shù)不同，但對(duì)流量的控制力卻是相同的。10%處：（6.58%-4.68%）/4.68%≈41%50%處：（25.7%-18.2%）/18.2%≈41%80%處：（71.2%-50.6%）/50.6%≈41%

同樣以10％、50％及80％三點(diǎn)為例，分別增加10%開(kāi)度，相對(duì)流量變化的比值為：Q/Q100L/Lmaxs=1（4）拋物線(xiàn)流量特性特性曲線(xiàn)為拋物線(xiàn)，介于直線(xiàn)和對(duì)數(shù)曲線(xiàn)之間，使用較少。（3）快開(kāi)特性31

42開(kāi)度較小時(shí)就有較大流量，隨開(kāi)度的增大，流量很快就達(dá)到最大，故稱(chēng)為快開(kāi)特性。適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。2、調(diào)節(jié)閥的工作流量特性實(shí)際使用時(shí)，調(diào)節(jié)閥裝在具有阻力的管道系統(tǒng)中。管道對(duì)流體的阻力隨流量而變化，閥前后壓差也是變化的，這時(shí)流量特性會(huì)發(fā)生畸變。例：管道串聯(lián)時(shí)的工作流量特性如圖，管道系統(tǒng)總壓力ΔP等于管路系統(tǒng)的壓降ΔPG與控制閥的壓降ΔPT之和。P△PGQ△PT管路及設(shè)備△PG△PT調(diào)節(jié)閥△P△P從串聯(lián)管道中調(diào)節(jié)閥兩端壓差△PT的變化曲線(xiàn)可看出，調(diào)節(jié)閥全關(guān)時(shí)閥上壓力最大，基本等于系統(tǒng)總壓力；調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)閥上壓力降至最小。為了表示調(diào)節(jié)閥兩端壓差△PT的變化范圍，以閥阻比S表示調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)，閥前后最小壓差△PTmin與總壓力△

P之比。S=PTmin

/△

P△PGQ△PT管路及設(shè)備△PG△PT調(diào)節(jié)閥△P△P流量特性畸變：以Qmax表示串聯(lián)管道阻力為零時(shí)(S=1)，閥全開(kāi)時(shí)達(dá)到的最大流量?？傻么?lián)管道在不同S值時(shí)，以自身Qmax作參照的工作流量特性。對(duì)數(shù)閥變?yōu)橹本€(xiàn)閥直線(xiàn)閥變?yōu)榭扉_(kāi)閥S↓結(jié)論串聯(lián)管道使調(diào)節(jié)閥的流量特性發(fā)生畸變。串聯(lián)管道使調(diào)節(jié)閥的流量可調(diào)范圍降低，最大流量減小。串聯(lián)管道會(huì)使調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)減小，調(diào)節(jié)能力降低，S值低于0.3時(shí)，調(diào)節(jié)閥能力基本喪失。4.1.1.2調(diào)節(jié)閥的選擇選用調(diào)節(jié)閥時(shí)，一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面。1．調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的選擇通常根據(jù)工藝條件，如使用溫度、壓力，介質(zhì)的物理、化學(xué)特性（如腐蝕性、粘度等），對(duì)流量的控制要求等，來(lái)選擇調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式。例如，一般介質(zhì)條件選用直通單座閥或直通雙座閥；高壓介質(zhì)選用高壓閥；強(qiáng)腐蝕介質(zhì)采用隔膜閥等。氣動(dòng)薄膜三通調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)薄膜精小型調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)薄膜式隔膜閥V型O型對(duì)夾薄型氣動(dòng)調(diào)節(jié)球閥氣動(dòng)法蘭調(diào)節(jié)蝶閥氣動(dòng)對(duì)夾式調(diào)節(jié)蝶閥氣動(dòng)精小型調(diào)節(jié)閥2．氣開(kāi)式與氣關(guān)式的選擇氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥在氣壓信號(hào)中斷后閥門(mén)會(huì)復(fù)位。無(wú)壓力信號(hào)時(shí)閥全開(kāi)，隨著信號(hào)增大，閥門(mén)逐漸關(guān)小的稱(chēng)為氣關(guān)式。反之，無(wú)壓力信號(hào)時(shí)閥全閉，隨著信號(hào)增大，閥門(mén)逐漸開(kāi)大稱(chēng)為氣開(kāi)式。如氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)式與氣關(guān)式：氣關(guān)式氣關(guān)式氣開(kāi)式氣開(kāi)式

給水閥燃?xì)忾y蒸汽例如：選擇蒸汽鍋爐的控制閥門(mén)時(shí)，為保證失控狀態(tài)下鍋爐的安全：

給水閥應(yīng)選氣關(guān)式

燃?xì)忾y應(yīng)選氣開(kāi)式閥門(mén)氣開(kāi)氣關(guān)式的選擇原則：當(dāng)控制信號(hào)中斷時(shí)，閥門(mén)的復(fù)位位置能使工藝設(shè)備處于安全狀態(tài)。氣開(kāi)閥與氣關(guān)閥

*氣開(kāi)閥：pc↑→f↑(“有氣則開(kāi)”)*氣關(guān)閥：pc↑→f↓(“有氣則關(guān)”)無(wú)氣源(pc=0)時(shí)，氣開(kāi)閥全關(guān)，氣關(guān)閥全開(kāi)。氣開(kāi)閥與氣關(guān)閥的選擇原則

*若無(wú)氣源時(shí)，希望閥全關(guān)，則應(yīng)選擇氣開(kāi)閥，如加熱爐瓦斯氣調(diào)節(jié)閥；若無(wú)氣源時(shí)，希望閥全開(kāi)，則應(yīng)選擇氣關(guān)閥，如加熱爐進(jìn)風(fēng)蝶閥。3.調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇保證控制品質(zhì)的重要因素之一是：保持控制系統(tǒng)的總放大倍數(shù)在工作范圍內(nèi)盡可能恒定。給定值被控量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對(duì)象+eWc(s)－W3(s)W1(s)W2(s)K=K1K2K3Kc有的被控對(duì)象的放大倍數(shù)，在不同的工藝點(diǎn)不同。如熱水加熱器的熱水流量與送風(fēng)溫度的靜特性MTT熱水Qθθ/θmaxQ/Qmax050%50%100%100%K由圖可見(jiàn)，隨著熱水流量增大，對(duì)送風(fēng)的加熱效果越來(lái)越差。因?yàn)闊峤粨Q需要時(shí)間，熱水很快流走，不能充分熱交換所致。但若用蒸汽加熱，由于冷凝放熱很快，該特性為直線(xiàn)特性。很多對(duì)象在工作區(qū)域內(nèi)穩(wěn)態(tài)放大倍數(shù)K不是常數(shù)，在不同的工藝負(fù)荷點(diǎn)，K不相同。因此希望調(diào)節(jié)閥的流量特性能補(bǔ)償對(duì)象的靜特性使調(diào)節(jié)閥的特性與過(guò)程特性乘積為一常數(shù)。（1）若調(diào)節(jié)對(duì)象的靜特性是非線(xiàn)性的，工藝負(fù)荷變化又大，用等百分比特性補(bǔ)償。（3）配管阻力大、s值低，等百分比閥會(huì)畸變成直線(xiàn)閥。（2）若調(diào)節(jié)對(duì)象的靜特性是線(xiàn)性的，或工藝負(fù)荷變化不大，用直線(xiàn)閥。4.調(diào)節(jié)閥口徑的選擇為保證工藝的正常進(jìn)行，必須合理選擇調(diào)節(jié)閥的尺寸。如果調(diào)節(jié)閥的口徑選得太大，使閥門(mén)經(jīng)常工作在小開(kāi)度位置，造成調(diào)節(jié)質(zhì)量不好。如果口徑選得太小，閥門(mén)完全打開(kāi)也不能滿(mǎn)足最大流量的需要，就難以保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。調(diào)節(jié)閥的口徑?jīng)Q定了調(diào)節(jié)閥的流通能力。

調(diào)節(jié)閥的流通能力用流量系數(shù)C值表示。流量系數(shù)C的定義：在閥兩端壓差100kPa，流體為水（103Kg／m3）的條件下，閥門(mén)全開(kāi)時(shí)每小時(shí)能通過(guò)調(diào)節(jié)閥的流體流量（m3/h）。例如，某一閥門(mén)全開(kāi)、閥兩端壓差為100kPa時(shí)，流經(jīng)閥的水流量為20m3/h，則該調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)為：C=20。

在調(diào)節(jié)閥技術(shù)手冊(cè)上，給出了各種閥門(mén)的口徑和流通能力C，供用戶(hù)查閱。CDg將流量系數(shù)的定義條件代入基本流量公式：實(shí)際應(yīng)用中閥門(mén)兩端壓差不一定是100kPa，流經(jīng)閥門(mén)的流體也不一定是水，因此必須換算。（1）液體流量系數(shù)C值的計(jì)算根據(jù)基本流量公式兩式相除得QDg?P

（2）氣體、蒸汽C值的計(jì)算氣體、蒸汽都具有可壓縮性，其C值的計(jì)算必須考慮氣體的可壓縮性和二相流問(wèn)題，計(jì)算時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的修正。根據(jù)實(shí)際的工藝流量和管道壓力換算出C值后，查閥門(mén)手冊(cè)確定口徑。QDg?P例

某供暖系統(tǒng)，流過(guò)加熱盤(pán)管的水流量為Q=31m3/h熱水為80℃，Pm-Pr=1.7×100kPa，所裝閥門(mén)取多大？解：Pm-Pr是管網(wǎng)入口壓差，設(shè)配管S=0.5～0.7，

?P=（0.5～0.7）×1.7×100kPa≈100kPa80℃熱水的密度ρ=971Kg/m3代入給水泵熱水鍋爐盤(pán)管PmPrM得C≈31

，取標(biāo)準(zhǔn)C=32在此檔中，選取和管道直徑相配的口徑。調(diào)節(jié)閥流量特性總結(jié)

線(xiàn)性閥：在理想情況下，調(diào)節(jié)閥的放大增益Kv與閥門(mén)開(kāi)度無(wú)關(guān)；而隨著管路系統(tǒng)閥阻比的減少，當(dāng)開(kāi)度到達(dá)50~70%時(shí)，流量已接近其全開(kāi)時(shí)的數(shù)值，即Kv隨著開(kāi)度的增大而顯著下降。

對(duì)數(shù)閥：在理想情況下，調(diào)節(jié)閥的放大增益Kv隨著閥門(mén)開(kāi)度的增大而增加；而隨著管路系統(tǒng)閥阻比的減少，Kv漸近于常數(shù)。

選擇原則：僅當(dāng)對(duì)象特性近似線(xiàn)性而且閥阻比大于0.60以上（即調(diào)節(jié)閥兩端的壓差基本不變），才選擇線(xiàn)性閥，如液位控制系統(tǒng)；其他情況大都應(yīng)選擇對(duì)數(shù)閥。將4～20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成20～100KPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)。4.1.2電/氣轉(zhuǎn)換器為了使氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥能夠接收電動(dòng)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，必須把標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)。電/氣轉(zhuǎn)換器作用：I↑吸力Fi↑

杠桿偏轉(zhuǎn)擋板與噴嘴間隙↓

背壓↑

放大器輸入↑

輸出壓力P↑

杠桿的反饋力Ff

↑

杠桿平衡P∝I工作原理負(fù)反饋磁鐵調(diào)零FiFf背壓4.1.3閥門(mén)定位器氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥中，閥桿的位移是由薄膜上氣壓推力與彈簧反作用力平衡確定的。為了防止閥桿處的泄漏要壓緊填料，使閥桿摩擦力增大，且個(gè)體差異較大，這會(huì)影響輸入信號(hào)P的執(zhí)行精度。解決措施在調(diào)節(jié)閥上加裝閥門(mén)定位器，引入閥桿位移負(fù)反饋。使閥桿能按輸入信號(hào)精確地確定自己的開(kāi)度。

4.1.4

電/氣閥門(mén)定位器實(shí)際應(yīng)用中，常把電/氣轉(zhuǎn)換器和閥門(mén)定位器結(jié)合成一體，組成電/氣閥門(mén)定位器。I↑杠桿上端右移擋板靠近噴嘴P壓力↑閥桿下移反饋凸輪右轉(zhuǎn)反饋彈簧右拉杠桿平衡氣動(dòng)薄膜單座(套筒)調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)薄膜雙座調(diào)節(jié)閥

氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥4.1.5電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電動(dòng)調(diào)節(jié)閥接受來(lái)自調(diào)節(jié)器的電流信號(hào)，閥門(mén)開(kāi)度連續(xù)可調(diào)。電磁閥也接受來(lái)自調(diào)節(jié)器的電流信號(hào)，但閥門(mén)開(kāi)度是位式調(diào)節(jié)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)如直動(dòng)式電磁閥：線(xiàn)圈通電時(shí)，產(chǎn)生電磁力，吸引閥芯柱上移，閥門(mén)打開(kāi)。線(xiàn)圈斷電后，電磁力消失，閥芯落下。在彈簧壓力下閥門(mén)緊閉。